2.1. 실험체의 형태 및 변수

본 연구에서는 천연골재의 고갈 및 건자재 부족 등의 문제 점을 개선하고 이를 대체하고자 콘크리트의 결합재인 굵은 골재와 시멘트를 건설⋅산업부산물인 순환굵은골재와 고로 슬래그미분말로 치환하여 철근콘크리트 보 실험체를 제작하 였다.

실험체의 변수로는 시멘트에 대한 고로슬래그미분말의 치 환율 (30%), 굵은골재에 대한 순환굵은골재의 치환율 (30%, 40%)과 순환굵은골재 및 고로슬래그미분말의 치환에 따른 구조성능 저하의 문제점을 개선하고자 실험체를 3등분하여 양 단부에 하이브리드섬유인 강섬유 (0.5%, 0.75%, 1.0% 1.5%) +PVA섬유 (0.2%)와 중앙부에 PVA섬유 (0.2%)를 타설하였 다. 각각의 변수에 따른 구조성능을 평가하기 위하여 실물크 기의 1/2정도인 축소모델 실험체 13개를 제작하였다. 그리고 철근콘크리트 보 실험체의 변수 및 설계상세는 Table 1과 Fig. 1에 제시하였다.

Fig 1.

Details of test specimen (unit: mm)

2.2. 실험체의 제작

본 연구에서 사용되어진 실험체는 국토교통부 규준에 따라 극한강도 설계법에 의한 콘크리트구조 설계기준 (2012)에 의 하여 설계하였다. 모든 실험체는 단면치수 150mm×300mm, 유효 높이 (d=280mm), 철근량은 최대철근비 이하로 설계하 여 인장철근 1-HD13, 2-HD16, 스터럽은 HD10@125mm, 압축철근 2-HD13, 길이 2,200mm, 순수팬길이 2,000mm로 제작하였다. 거푸집은 내수합판과 각재를 사용하여 제작하였 으며, 철근조립 시에는 스페이서를 이용하여 피복두께를 확 보하였다.

2.3. 사용재료 특성

2.3.5. PVA섬유

실험체에 사용된 섬유는 Fig. 2와 같이 다양한 형상의 섬 유 중에서 분산성, 시공성, 적합성 등을 고려하여 K사에서 생산되는 길이가 12mm인 PVA섬유 REC15로 선정하였으 며, 사용된 섬유의 물리적인 특성은 Table 7과 같다.

Fig 2.

PVA fiber

Table 7.

Properties of PVA fiber

Diameter (µm)	Length (mm)	Nominal strength (MPa)	Elongation (%)	Oiling agent content (%)	Young’s modulus (GPa)
39	12	1,620	6	0.8	38.9

2.4. 실험방법 및 장치

2.4.2. 측정장치의 부착위치

본 실험체의 경간 중앙의 실험체 하단면에서 각 하중 단계 별 하중-처짐량을 측정하였다. 인장철근의 변형은 strain gauge (5mm)를 각 하부 주근의 중앙부에 2개씩 부착하여 하중단계 에 따라 측정하였다. 콘크리트의 변형은 strain gauge (60mm) 를 사용하여 경간 중앙위치의 콘크리트 상⋅하단면으로부터 50mm, 상단면에서 150mm, 하단면에서 100mm 위치에 strain gauge를 부착하였다. Fig 3-4

Fig 3.

Test setup of test specimen

Fig 4.

Location of strain gauges

3.1. 하중-변위

순환굵은골재 치환 (30%, 40%) 및 하이브리드섬유 (PVA Fiber+Steel Fiber) 혼입율에 따른 실험변수들의 효과를 규 명하기 위하여 표준실험체 BSS를 파괴될 때 까지 가력하여 보의 거동을 관찰하였으며, 하중-변위 특성은 다음과 같다. 표 준 실험체 BSS의 경우 초기균열은 하중 35kN, 변위 0.7mm 에 발생하였으며, 하중 136.13kN, 변위 7.44mm에서 인장철 근의 항복이 발생하였다. 그리고 최대하중 181.5kN에서 콘 크리트가 파괴 되면서 변형이 크게 증가하였으며, 전형적인 휨인장 파괴거동을 하였다.

순환굵은골재의 치환과 하이브리드섬유 (PVA Fiber+Steel Fiber) 혼입에 따른 실험체 BSPGR₁, BSPGR₂시리즈는 Fig. 5(a)~5(c)에서 보는 것과 같이 표준실험체 BSS보다 전구간을 통하여 최대내력의 상승과 충분한 연성능력을 확보하며 안 정적인 거동을 하였다. 그리고 하이브리드섬유 중 강섬유의 혼입율이 증가할수록 최대내력과 연성능력이 향상되었다. 순 환굵은골재 30%, 40% 치환과 강섬유의 혼입율 0.5%, 0.75%, 1.0%, 1.5%인 실험체 BSPGR₁시리즈, BSPGR₂시리즈는 순 환굵은골재와 고로슬래그미분말을 치환한 실험체 BSPG-R30 보다 실험체 BSPGR₁시리즈는 4%~21%까지 내력이 증가하 였고 실험체 BSPGR₂시리즈는 5%~19%까지 내력이 증가하 였다.

Fig 5.

Load-displacement relationship of each specimen

3.2. 파괴형태

표준실험체 BSS는 Fig. 6(a)에 나타난 것과 같이 하중이 증가함에 따라 휨균열이 발생하였고, 하중이 점점 증가함에 따라 인장철근 항복으로 인한 전형적인 휨인장 파괴를 나타 냈다. PVA섬유혼입 실험체 BSP와 PVA섬유 혼입과 고로슬 래그미분말을 치환한 실험체 BSPG, 순환굵은골재를 30, 40% 치환한 실험체 BSPG-R30, BSPG-R40은 Fig. 6(b)~6(e)와 같 이 균열형태나 최종 파괴형태는 표준실험체와 같은 휨인장 파괴가 일어났다.

Fig 6.

Crack pattern and failure mode of each specimen

순환굵은골재 30%, 40%치환과 하이브리드섬유를 혼입한 실험체 BSPGR₁시리즈, BSPGR₂시리즈의 하중단계별 균열 진전 상황과 최종 파괴시의 파괴형태는 Fig. 6(f)~6(i)와 Fig. 6(j)~(6m)과 같다. 실험체 BSPGR₁시리즈의 파괴형태는 표준 실험체 및 실험체 BSP, BSPG, BSPG-R30과는 달리 충분한 연성을 확보하며 안정적인 휨인장 파괴를 나타냈다. 실험체 BSPGR₂시리즈 또한 파괴형태는 표준실험체 및 실험체 BSP, BSPG, BSPG-R40과는 달리 충분한 연성을 확보하며 안정 적인 휨인장 파괴를 나타냈다. 이는 하이브리드섬유가 인장 력의 전달능력을 지속시켜 균열폭이 증가하지 않는 특성을 나타냈다.

이와 같이 순환굵은골재를 치환함에 따른 콘크리트의 성 능저하 부분을 하이브리드섬유의 혼입으로 인하여 콘크리트 의 구조성능을 향상시켰으며, 향후 양질의 순환굵은골재의 구조물 적용에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단 된다.

3.3. 최대내력

표준순환형자원의 재자원화를 위하여 순환굵은골재 및 고 로슬래그 미분말을 구조물에 적용하기 위하여 순환굵은골재 30%, 40% 치환과 고로슬래그미분말를 30%를 치환하였으 며, 순환형자원의 치환에 따른 구조성능의 저하를 개선하고 자 하이브리드 섬유 (PVA Fiber+Steel Fiber)를 보강하였다.

본 실험에서 표준실험체 BSS의 최대내력은 181.5kN으로 나타났다. 이에 비해 순환굵은골재와 하이브리드섬유를 혼입 한 실험체 BSPGR₁, BSPGR₂시리즈는 최대내력이 상승되었 다. Table 9와 Fig. 7은 각 실험체의 최대내력과 표준실험 BSS에 대한 최대내력의 비 (CASE i/CASE 0)를 비교 분석 한 것이다.

Fig 7.

Comparison of the load-carrying capacity graph for each specimen

각 실험체의 내력 비교를 통하여 순환굵은골재 30%사용 과 하이브리드섬유 혼입에 따른 실험체 BSPGR₁시리즈는 표준실험체 BSS에 비하여 -2~13%, PVA섬유혼입 실험체 BSP에 비하여 -6~9%, PVA섬유 혼입과 고로슬래그미분말 을 치환한 실험체 BSPG에 비해 -2~13% 내력이 상승하였다. 그리고 BSPG실험체에 순환굵은골재를 30% 치환한 BSPG-R30 실험체에 비하여 4%~21% 내력이 증가하였다. 이와 같이 강 섬유를 0.5%, 0.75%, 1.0%, 1.5% 보강한 BSPGR₁시리즈 실험체는 전반적으로 하이브리드섬유가 가교 역할을 하여 균열폭 증가를 억제하여 내력이 상승한 것으로 판단된다.

순환굵은골재 40%사용과 하이브리드섬유 혼입에 따른 실 험체 BSPGR₂시리즈는 표준실험체 BSS에 비하여 -8~4%, PVA섬유혼입 실험체 BSP에 비하여 -12~-1%, PVA섬유 혼 입과 고로슬래그미분말을 치환한 실험체 BSPG에 비해 -9~3% 내력이 상승하였다. 또한, BSPG실험체에 순환굵은골재를 40% 치환한 BSPG-R40실험체에 비하여 5%~19% 내력이 상승하 였다. 이와 같이 순환굵은골재와 고로슬래그미분말을 치환한 콘크리트에 하이브리드섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 구조 물의 최대내력이 증가한 이유는 하이브리드섬유의 가교역할 에 의해 인장력 전달능력이 지속되면서 균열성장을 억제하 였기 때문인 것으로 판단된다.

그리고 순환굵은골재와 고로슬래그 미분말을 치환한 실험 체 BSPG-R30은 내력이 6% 감소하였으나 표준실험체와 유 사한 내력을 확보하였다. 하지만 실험체 BSPG-R40은 13% 의 내력저하를 보여 실제 순환굵은골재 40%를 구조물에 적 용시 다소의 문제가 있는 것으로 판단되며, 이를 적용시 본 연구에서와 같이 섬유 보강이 필요한 것으로 사료된다.

3.4. 연성능력

보 부재의 연성능력은 항복변위에 대한 극한 파괴시의 변 위를 변위 연성비 μ = δ_u/δ_y로 정의하였다. 본 연구에서는 부재 항복시의 처짐량 (δ_y)을 기준으로 하여 부재 최대하중 이후의 최대하중의 80%에서의 변위 (δ_u)를 이용하여 평가 하였다. 또한, 부재 항복변위 (δ_y)는 중앙점의 인장철근의 항 복시 변위 또는 극한강도점을 지나는 수평선과 극한강도의 75%점을 지나는 할선강성선과의 교점으로 하는 Park Method 로 정하였다.

각 실험체의 연성능력은 Table 10과 Fig. 8에 나타난 것과 같다. 각 실험체의 연성능력을 비교한 결과, BSPGR₁시리즈 는 표준실험체 BSS보다 3~24% 연성능력이 증가하였고, PVA섬유를 혼입한 BSP실험체 보다 -8~11% 감소 및 증가 를 하였다. 또한, BSPGR₁시리즈와 고로슬래그 미분말과 PVA 섬유를 혼입한 BSPG실험체를 비교한 결과 -1~19% 감소 및 증가하였다.

Fig 8.

Comparison of displacement ductility ratio for each specimen

순환굵은골재 40% 사용 및 하이브리드섬유를 혼입한 실 험체 BSPGR₂시리즈와 표준실험체 BSS, PVA섬유혼입 실 험체 BSP, PVA섬유와 고로슬래그미분말 치환한 실험체 BSPG에 대하여 연성능력을 비교한 결과 BSPGR₂시리즈는 표준실험체 BSS보다 -1~20% 연성능력이 증가하였고, PVA 섬유를 혼입한 BSP실험체 보다 -12~8% 감소 및 증가를 하 였다. 그리고 BSPGR₂시리즈와 고로슬래그 미분말과 PVA 섬유를 혼입한 BSPG실험체를 비교한 결과 -5~16% 감소 및 증가하였다. 그리고 순환굵은골재와 고로슬래그 미분말을 치 환한 실험체 BSPG-R30과 BSPGR₁시리즈와 연성능력을 비 교한 결과 6~28% 증가하였고, BSPG-R40과 BSPGR₂시리 즈와 연성능력을 비교한 결과 4~26% 증가하여 연성능력이 많이 증가한 것을 알 수 있었다.

이와 같이 BSPGR₁시리즈와 BSPGR₂시리즈가 연성능력 이향상된 것은 일반적으로 콘크리트는 균열이 발생하고 난 후에는 더 이상 인장력을 전달하지 못하고 파괴되는 반면에 하이브리드섬유를 혼입한 실험체의 경우 하이브리드섬유가 균열과 균열사이의 가교 역할을 하여 균열폭을 미세하게 유 지하고 인장력의 전달 능력을 지속시켜 연성능력이 증가한 것으로 판단된다.